EP3012320A1 - Fermenter - Google Patents
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- EP3012320A1 EP3012320A1 EP14189491.5A EP14189491A EP3012320A1 EP 3012320 A1 EP3012320 A1 EP 3012320A1 EP 14189491 A EP14189491 A EP 14189491A EP 3012320 A1 EP3012320 A1 EP 3012320A1
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- C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
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Definitions
- the present invention relates to a fermenter for a plant for converting organic starting material into methane-containing biogas.
- Such fermenters are widely known and are widely used in the context of so-called biogas plants to obtain by conversion of organic starting material methane-containing biogas, which is used in subsequent process steps for the production of electrical power and heat energy.
- organic starting materials of different origin and of different types are reacted, or such fermenters are charged with organic starting materials of different types.
- organic waste or residual products from agricultural production are used, in particular manure or manure.
- organic starting materials such as Maishburgsel of specially grown for biogas production corn, but also potato chips or the like.
- approaches are known here with other organic starting materials, such as biowaste from households, garden waste or Like. In such fermenters to operate a corresponding biogas production.
- Typical known fermenters comprise a fermenter container, which comprises a receiving volume, which is surrounded by a circular cylindrical circumferential side wall and is closed at the bottom by a bottom. Furthermore, these fermenters have a cover, often a flexible cover, which is made of two layers and mostly made of foil, with which the fermenter tank is sealed gas-tight and resulting biogas can be retained.
- the volume below this cover which has a certain capacity, is also a kind of buffer storage for biogas before it is sucked off and recycled.
- Another essential component of existing fermenters is an agitator, with which in the receiving volume befindliches organic starting material and further arranged in the receiving volume, the organic starting material added bioactive cultures are circulated here to obtain the best possible mixing and clumping of organic starting material and / or biofilm that carries the bioactive cultures.
- the known fermenters each have at least one feed line for supplying fresh organic starting material in the receiving volume and a drain for spent organic starting material from the receiving volume.
- the known fermenters have a heater with which the organic starting material contained in the receiving volume can be heated or kept at a predeterminable temperature.
- a heater with which the organic starting material contained in the receiving volume can be heated or kept at a predeterminable temperature.
- a vent for removing biogas from the fermenter tank is intrinsic to the known fermenters, and many of the known fermenters have a vent for feeding air into the receiving volume for venting the organic feedstock held therein. With such Ventilation should be introduced into the receiving volume of the fermenter tank required for the implementation of the organic starting material oxygen.
- This novel and fermenter according to the invention for a plant for converting organic starting material into methane-containing biogas has, in accordance with the prior art, a circular cylindrical circumferential wall and a bottom having this bottom down, a receiving volume defining fermenter tank; a cover for gas-tight completion of the fermenter tank and for retaining arising biogas; an agitator for circulating organic starting material in the receiving volume and bioactive cultures present therein; a feed line for feeding fresh organic feedstock into the receiving volume; a heater for heating and / or keeping warm the organic starting material contained in the receiving volume; a process for spent organic raw material; a vent for removing biogas from the fermenter tank and a vent for supplying air into the holding volume for venting the organic starting material held therein.
- the receiving volume through the bottom and through the cylindrical side wall is smooth-walled and without any attachments on the bottom and / or on the side wall in this area limited in the advanced and optimized fermenter.
- the heating comprises a floor heating in the ground.
- a planar heating not only leads to heating and holding of the organic starting material in the receiving volume at a predetermined temperature can be done without projecting into the interior of the fermenter tank elements, but also that this heating is particularly uniform and efficient by a large for the heat exchange area provided, namely the substantially entire bottom of the fermenter.
- the agitator is formed by a rotatable about a longitudinal axis of the cylindrical side wall lattice frame with Rntongitterrahmen, starting from the longitudinal axis over substantially the full filling height of the receiving volume and, at least in the region of the bottom, in the Substantially extend the entire radius of the laterally limited by the side wall receiving volume.
- a lattice frame stirrer is a stirrer concept deviating from the heretofore known and used stirrer concepts.
- propeller-type or paddle-wheel-type stirrers have hitherto been used which impart a large local impulse to the mass of organic matter in the fermenter or in the receiving volume Apply starting material (cf.
- the invention provides that in the fermenter, the feed line for supplying fresh organic starting material in the receiving volume has at least one pressure for the supply of the starting material pressure pump and opens the feed line in at least one, preferably a plurality of above the receiving volume and above the Gitterrahmenrlochers arranged injection nozzles , By means of this measure, fresh organic material to be introduced into the receiving volume of the fermenter container is sprayed onto the surface of the organic material already in the fermenter container, or via the surface into the volume of the organic material Fermenter container pressed.
- This type of feeding and feeding has proven to be particularly effective because it already on the one hand with the supply of the organic starting material a good mixing of the "fresh" material with the material already in the fermenter, but on the other hand, no additional and disturbing turbulence by itself pulls, as they are otherwise obtained by an immediate in the receiving volume opening feed line.
- stirrer Due to the special design of the stirrer as a lattice frame stirrer with distribution-effective elements distributed over the height as well as over the radius, thorough mixing over the entire receiving volume was achieved so that on the one hand good mixing of the organic starting material with the bioactive cultures was achieved, on the other hand possible lumps in the Total volume prevented and thus a large surface penetration of the biological starting materials was achieved with the bioactive cultures.
- This measure together with the fact that the smooth-walled construction method further eliminated potential triggers for turbulence, resulted in a very efficient conversion of the organic starting material with the bioactive cultures to methane-containing biogas.
- the inventors explain the special increase in efficiency by the fact that, on the one hand, good mixing and good mixing are achieved through permanent circulation
- By mixing the starting material with the bioactive cultures is given, so that these cultures can effectively decompose the organic material to produce biogas, on the other hand not too fast flows and turbulence, as obtained in fermenters of the prior art, to a "Stress factor" for the biologically active substances, which then lead to a reduction in efficiency.
- the optimal conditions for efficient conversion of the organic starting material contained in the fermentor into the receiving volume are achieved and provided for the biologically active cultures.
- the receiving volume limiting surfaces of the side wall and the bottom can be treated for a reduction in adhesion, in particular coated.
- a corresponding adhesion reducing treatment e.g. a coating or an expression with the so-called lotus effect-forming structures prevents here the growth of biofilm accumulations, which in turn can be sources and triggers for turbulences.
- the bioactive cultures remain in suspension and are there active for the conversion of the organic starting material to methane-containing biogas.
- the ventilation may comprise an air duct in the floor or a plurality of inlet nozzles formed in the floor, wherein air ducts guided in the floor are brought into contact with floor heating pipes in the floor
- the air in the air ducts is preheated by the guided in the tubes of the underfloor heating medium, before it flows through the intake nozzles through the intake volume.
- the preheating of the air prevents by the entry of the same one, possibly even only local, cooling of the biological material contained in the receiving volume is the result.
- Such cooling leads abruptly to a deterioration in efficiency, since the biologically active cultures present in the fermenter reach their highest conversion efficiency in a given temperature window, this efficiency decreases immediately as the temperature approaches the lower threshold of that window below.
- the air supply lines can be placed concentrically around the sunken in the floor pipes of the underfloor heating, so that the heat emitted by the guided in the pipes heating medium first heats the supplied air, then on the ground in the the receiving volume organic starting material.
- the lattice frame stirrer can be formed double-leafed and symmetrical to the longitudinal axis.
- Such a double-leaf lattice frame stirrer which can therefore also be formed by a single, over the entire diameter of the fermenter extending lattice frame or such a lattice frame element has been found to be optimal for the implementation of a particularly suitable mixing and is mechanically simple in design and stable ,
- the Roughgitterrahmen the Gitterrahmenrrounders each have an outer frame construction and extending therefrom longitudinal and transverse struts, the longitudinal struts substantially vertically, the crossbars are substantially horizontal.
- the longitudinal struts are arranged such that they at regular intervals Divide outward along a horizontal path as seen from the longitudinal axis.
- the longitudinal and transverse struts are formed by flat strip material and are rotated along its respective longitudinal axis at least once by 180 °.
- different effective surfaces result in the band-shaped material; on the other hand, conductive structures are also formed, with which the organic starting material present in the receiving volume is actively circulated, without this leading to excessive turbulence, for example, which is recognized as harmful.
- a further advantageous embodiment of the fermenter according to the invention can contribute to an optimization thereof, according to which a drive motor for the lattice frame stirrer is arranged outside the fermenter container and is operatively connected to the lattice frame stirrer via drive shafts guided through the fermenter container.
- This design in which the drive shafts are guided in particular outside of the receiving volume, contributes to a simple and without formed in the interior of the receiving volume parts formed design of the fermenter tank, which in turn helps to prevent turbulence in the circulation of the organic material contained in the receiving volume.
- the side wall wall heating for heating or for keeping warm, i. that is, for controlled tempering of the organic starting material present in the receiving volume.
- This wall heating can be connected according to a further advantageous embodiment of the invention with the floor heating to a common heating circuit.
- a fermenter according to the invention can be scaled in all imaginable sizes and thus formed for output powers of different design and used.
- the fermenter according to the invention also for small-scale installations, ie those with low power, which are designed for example for the supply of a typical single family house (power in the range of 0.5 kW until a few kW) is suitable.
- a fermenter container according to the invention can have an inner diameter of between 2 and 2.5 m, in particular 2.2 m, and a filling height for the receiving volume of between 0.6 m and 1.0 m, in particular 0.8 m, limiting the receiving volume. exhibit.
- the cover can, according to the covers known from the prior art, be formed as a flexible cover, in particular of film, preferably two-ply. But it can also be used as a rigid cover, e.g. be formed as a plate-shaped and flat conclusion.
- the invention then also relates to a biogas plant which has at least one fermenter according to one of the aspects described above.
- a biogas plant derives appropriate benefit from the advantages described above in connection with the description and explanation of the novel fermenter.
- the fermenter according to the invention is operated in particular with a specially prepared suspension of an organic starting material, this suspension containing the organic starting material in particularly finely divided size or grain size.
- the inventors were able to achieve particularly good results with a bread-based or finely divided suspension-shaped organic starting material prepared on the basis of potatoes.
- the temperature of this organic starting material in the receiving volume of the fermenter was set in particularly successful experiments on the order of between 37 ° C and 39 ° C, in particular between 37.5 ° C and 38 ° C.
- the inventors have arranged for a desulfurization of biogas already in the fermenter a zinc sacrificial electrode, which ensured that the extracted via the withdrawal biogas was particularly low in sulfur.
- FIG. 1 First, an inventively designed fermenter is shown in a first embodiment variant and generally designated by the reference numeral 1.
- the fermenter 1 has a fermenter tank 2, which encloses a receiving volume 3.
- This fermenter container is essentially limited by a bottom plate 4 and a sealingly adjoining, cylindrical circumferential side wall 5.
- a flexible cover 6 Placed on the side wall 5 and sealingly connected to this is a flexible cover 6, which closes the receiving volume 3 and a gas reservoir above the same subsequent 7 gas-tight.
- the flexible cover 6 is made up of an outer film or membrane 8 and an inner film or membrane 9.
- a positive pressure is blown through a fan 10 so as to the flexible cover 6 in their as in the Fig. 1 to keep shown dome-shaped shape and also to form a thermal insulation and thus to prevent excessive heat loss from the interior of the fermenter tank 2.
- a net cover 11 for example a nylon net, is stretched above the receiving volume 3, which is intended to prevent objects from falling into the receiving volume 3 and also to form a man safety device.
- a Gitterrahmenrrocker 15 This is formed as a continuous frame element, which also set as two, at an angle can be understood by 180 ° aligned to each other Rhackrahmengitter.
- the lattice frame stirrer 15 extends over the entire height of the receiving volume 3 and over substantially the entire diameter of the same in the region of the bottom plate 4. It runs on a run on the edge of the bottom plate 4 circumferentially running rail 16 and is in operation at a speed of about 2 to 3, preferably 2.5 revolutions per minute, continuously rotating about the central axis 14.
- the lattice frame stirrer 15 in this case has a trapezoidal frame structure with shorter horizontal frame struts towards its upper end, as will be understood from the more detailed description of FIG Fig. 4 will result.
- an inspection opening which is here shown opened, but normally closed, and via which e.g. Checks or simple maintenance can be performed without the entire flexible cover 6 is to be removed.
- a level indicator 18 is shown, can be recognized on the outside of the fermenter 1, the level in the receiving volume 3, so as to regulate intervention, either by suction excess organic starting material or by tracking fresh such organic starting material to fill the receiving volume. 3 ,
- the feed or supply lines for fresh organic starting material which end in above the receiving volume 3 in the region below the mesh cover 11 opening inlet nozzles and thus allow a distributed over the surface of the surface of the receiving volume 3 with pressure introduced feed of organic starting material .
- the bottom heater disposed in the bottom plate 4 via which the organic starting material contained in the receiving volume 3 is heated and maintained at an operating temperature (typically between 37 ° C and 39 ° C, ideally between 37.5 ° C and 38 ° C).
- fine Eingasdüsen in the bottom plate 4 can be injected through the air into the receiving volume 3 and the organic starting material therein.
- Fig. 2 is shown schematically in a sectional view, as the flexible cover 6 is fixed with its outer membrane 8 and the inner membrane 9 on the circumferential side wall 5. Both membranes are clamped by means of bolts 23 towards each other drawn terminal strips against the side wall 5 and fixed so. Furthermore, it can be seen that the side wall 5 has on its outer side an insulating layer 20, which causes a thermal insulation of the fermenter container and in particular of the receiving volume 3. On the receiving volume 3 inside facing a protective coating 21 is applied with non-stick effect on the side wall 5, which may be, for example, a protective coating with lotus effect and prevents the setting or growth of biofilms on the side wall 5. Also between the two membranes outer membrane 8 and inner membrane 9, an insulation 22 is arranged in order to avoid heat losses as possible in this area and thus to ensure energy-efficient operation of the fermenter.
- an insulation 22 is arranged in order to avoid heat losses as possible in this area and thus to ensure energy-efficient operation of the fermenter.
- Fig. 3 is shown in an enlarged schematic representation of the connection of the side wall 5 to the bottom plate 4.
- the side wall 5 is placed with the interposition of a seal 24 on the bottom plate 4 and connected thereto.
- insulating layers 20 can be seen, which are arranged not only on the side wall 5, but also on the side facing away from the receiving volume 3 side of the bottom plate 4 and to avoid heat loss.
- a protective coating 21 with non-stick effect for example, a coating with lotus effect.
- the running rail 16 can be seen for the lattice frame stirrer 15, the angle profile in the impact angle between the side wall 5 and bottom plate 4 is inserted and the course of the side wall 5 follows circular.
- Fig. 4 is in one of the Fig. 1 Comparative representation of a modified embodiment of a fermenter 100 shown.
- This is the same structure in the essential elements, as the fermenter 1, wherein these essential elements with the same reference numerals as in Fig. 1 are provided and constructed similar and functional to each other.
- the description of the Fig. 1 are referred to above, which - unless a different explanation is given below - also applies to the fermenter 100.
- the only relevant difference is the type of coverage.
- the cover which closes the fermenter tank gas-tight at the top, not a flexible.
- the cover 106 is formed here as a rigid plate, for example made of glass fiber reinforced plastic (GRP), carbon fiber reinforced plastic (CFRP) or even concrete.
- the drive motor 12 for the lattice frame maker 15 is shown as being arranged on the cover 106. This allows a simpler guidance of the drive shaft 13, which can be guided vertically downwards as a simple shaft and on which the lattice frame stirrer 15 is then arranged. Between the drive motor 12 and the drive shaft 13 can, as in the embodiment according to Fig. 1 to be arranged a transmission. Also can - and this is usually also - the drive motor 12 may be connected in both embodiments with a controller that controls the speed and optionally dictates stirring and pauses, in the latter, the substrate (the organic starting materials in the receiving volume ) can rest.
- GRP glass fiber reinforced plastic
- CFRP carbon fiber reinforced plastic
- Fig. 5 is shown in an enlarged view, the connection between the circumferential side wall 5 and the cover 106 in the fermenter 100. It can be seen that this has a similar structure as the connection of the side wall 5 to the bottom 4 in the fermenter 1 (cf. Fig. 3 Incidentally, the latter connection is also constructed in the fermenter 100 as in Fig. 3 shown. So is between the top end face of the side wall. 5 and the cover 106, a seal 24 is arranged. Also in this illustration is the Fig. 5 to recognize that the cover 106 has on its upper surface an insulating layer 20, which also serves to prevent heat loss from the interior of the fermenter tank 100.
- the cover 106 may be attached to the side wall 5, for example, in such fermenters 100 with relatively small dimensions as a whole removable and, for example, with clamping or screw caps. This facilitates the creation of access to the receiving volume 3 in order to be able to carry out any maintenance or cleaning work there.
- FIG. 6 Finally, once again the lattice frame stirrer 15 is shown detached from the fermenter. It can be seen that this first has a trapezoidal frame 25, which is constructed of U-profiles made of a metal, in particular a stainless steel.
- the trapezoidal frame has two mutually parallel horizontal frame members 26, 27, wherein the frame member 26 in operation faces the bottom plate of the fermenter and is formed longer than the operating in the upper end of the receiving volume facing horizontal frame member 27, compared to the frame member 26 is of shorter dimension.
- These horizontal frame members are connected to each other via connecting frame members 28, 29 which are oblique to the two horizontal frame members 26, 27 and inclined to the vertical.
- two vertical supports 30, 31 which stabilize the frame 25 are divided into two frame elements and also provide fixing points for further elements to be described later.
- longitudinal struts 32 are arranged at a distance from each other along the horizontal extent of the frame. These are fixed with one end to the upper horizontal frame member 27 and another end to the lower frame member 26.
- These longitudinal struts 32 are ribbon struts, which - and this is a peculiarity of the frame stirrer 15 - once rotated by 180 ° about its longitudinal axis. As a result, these longitudinal struts 32 effect an improved penetration and thorough mixing of the organic starting material with the bioactive cultures during rotation of the lattice frame stirrer 15.
- transverse struts 33 are arranged, which are also formed of a flat strip material, which is once rotated along its longitudinal extent by 180 °. These transverse struts 33 subdivide the height of the lattice frame stirrer into three approximately equal sections and, to that extent, are arranged substantially equidistantly over this height.
- FIG. 6 illustrated design as Gitterrahmenrrocker 15 with the formed of a flat strip longitudinal and transverse struts spanning the trapezoidal frame 25 and each twisted about its longitudinal axis by 180 ° or twisted, have in the test results of the inventors the particularly good mixing effect at the same time sufficient "rest" for the biologically active microorganisms shown, so that the latter could very efficiently operate the conversion of the organic starting material to methane-containing biogas.
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fermenter für eine Anlage zur Umwandlung organischen Ausgangsmaterials in methanhaltiges Biogas.
- Derartige Fermenter sind weitläufig bekannt und werden vielfach im Rahmen von sogenannten Biogasanlagen eingesetzt, um durch Umwandlung organischen Ausgangsmaterials methanhaltiges Biogas zu erhalten, welches in anschließenden Verfahrensschritten zur Gewinnung elektrischen Stroms sowie von Wärmeenergie genutzt wird.
- Typischerweise werden in derartigen Fermentern organische Ausgangsmaterialien unterschiedlicher Herkunft und unterschiedlicher Art umgesetzt, bzw. werden solche Fermenter mit organischen Ausgangsmaterialien unterschiedlicher Art beschickt. Vielfach werden dabei organische Abfall- bzw. Restprodukte aus landwirtschaftlicher Produktion verwendet, so insbesondere Gülle oder Jauche. Es werden aber auch eigens für die Fermentierung und Biogaserzeugung bereitgestellte organische Ausgangsstoffe eingesetzt, wie z.B. Maishäcksel von eigens für die Biogasgewinnung angebautem Mais, aber auch Kartoffelschnitzel oder dgl. Auch sind Ansätze bekannt, hier mit anderen organischen Ausgangsmaterialien, z.B. Bioabfällen aus Haushalten, Gartenabfällen oder dgl. in derartigen Fermentern eine entsprechende Biogasgewinnung zu betreiben.
- Typische bekannte Fermenter umfassen einen Fermenterbehälter, der ein Aufnahmevolumen umfasst, welches von einer kreiszylinderförmigen umlaufenden Seitenwand umgeben und nach unten hin durch einen Boden abgeschlossen ist. Weiterhin haben diese Fermenter eine Abdeckung, häufig eine flexible Abdeckung, die zweilagig und zumeist aus Folie gebildet ist, mit der der Fermenterbehälter gasdicht abgeschlossen ist und entstehendes Biogas zurückgehalten werden kann. Das Volumen unterhalb dieser Abdeckung, die ein gewisses Fassungsvermögen aufweist, ist zugleich auch eine Art Pufferspeicher für Biogas, bevor dieses abgesaugt und weiterverwertet wird.
- Weiterer wesentlicher Bestandteil bestehender Fermenter ist ein Rührwerk, mit dem in dem Aufnahmevolumen befindliches organisches Ausgangsmaterial und die weiterhin in dem Aufnahmevolumen angeordneten, dem organischen Ausgangsmaterial zugesetzten bioaktiven Kulturen umgewälzt werden, um hier eine möglichst gute Durchmischung zu erhalten und ein Verklumpen von organischem Ausgangsmaterial und/oder Biofilm, der die bioaktiven Kulturen trägt, zu verhindern.
- Weiterhin weisen die bekannten Fermenter jeweils wenigstens eine Speiseleitung zum Zuführen frischen organischen Ausgangsmaterials in das Aufnahmevolumen sowie einen Ablauf für verbrauchtes organisches Ausgangsmaterial aus dem Aufnahmevolumen auf.
- Weiterhin verfügen die bekannten Fermenter über eine Heizung, mit der das in dem Aufnahmevolumen befindliche organische Ausgangsmaterial erwärmt bzw. auf einer vorgebbaren Temperatur gehalten werden kann. Auf diese Weise soll hinsichtlich der Temperatur ein optimales Milieu für die biologische Zersetzung bzw. Umsetzung des Ausgangsmaterials in Zersetzungsprodukte, hierbei insbesondere das methanhaltige Biogas, erhalten werden.
- Weiterhin ist ein Abzug zur Entnahme von Biogas aus dem Fermenterbehälter den bekannten Fermentern eigen, und viele der bekannten Fermenter verfügen über eine Belüftung zum Zuführen von Luft in das Aufnahmevolumen für ein Belüften des darin gehaltenen organischen Ausgangsmaterials. Mit einer solchen Belüftung soll der für die Umsetzung des organischen Ausgangsmaterials erforderliche Sauerstoff in das Aufnahmevolumen des Fermenterbehälters eingebracht werden.
- Bekannte Fermenter der eingangs aufgezeigten Art werden, wie bereits erwähnt, bereits vielfach im Zusammenhang mit sogenannten Biogasanlagen zur Gewinnung erneuerbarer Energien eingesetzt. Typische Auslegungen derartiger Biogasanlagen werden für die Versorgung kleinerer bis mittelgroßer Einheiten gewählt, d.h. beginnend mit der Versorgung einer landwirtschaftlichen Hofanlage bis hin zu der Versorgung ganzer ländlicher Gemeinden. Entsprechend liegen die Kapazitäten bzw. Leistungen derartiger Biogasanlagen häufig zwischen 500 Kilowatt bis hinein in den Megawattbereich. Entsprechende Fermenter haben dabei beispielsweise Abmessungen des Aufnahmevolumens mit Durchmessern von ca. 20 m und Höhen von bis zu 10 m. Es gibt aber im Stand der Technik auch bereits Ansätze und Überlegungen, entsprechende Biogasanlagen mit geringerer Leistung zu skalieren, wobei hier dann entsprechend kleiner dimensionierte Fermenter zum Einsatz kommen sollen. Ein Beispiel hierfür ist in der
DE 20 2007 017 166 U1 angegeben. - Die Erfinder haben nun erkannt, dass für die aus dem Stand der Technik bekannten Fermenter und deren Einsatz in Biogasanlagen weiterhin erheblicher Optimierungsbedarf besteht, um eine deutlich verbesserte Ausbeute an erhaltenem methanhaltigen Biogas pro eingesetzter Einheit an organischem Ausgangsmaterial zu erzielen. Mit dieser Optimierungsaufgabe haben sich die Erfinder der vorliegenden Erfindung befasst und sind dabei zu dem hier beanspruchten und nachstehend beschriebenen Erfindungsgegenstand, einem neuartigen Fermenter, gelangt.
- Dieser neuartige und erfindungsgemäße Fermenter für eine Anlage zur Umwandlung organischen Ausgangsmaterials in methanhaltiges Biogas hat in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik einen eine kreiszylinderförmige umlaufende Seitenwand und einen diese nach unten hin abschließenden Boden aufweisenden, ein Aufnahmevolumen definierenden Fermenterbehälter; eine Abdeckung zum gasdichten Abschluss des Fermenterbehälters und zum Zurückhalten von entstehendem Biogas; ein Rührwerk zum Umwälzen von in dem Aufnahmevolumen befindlichem organischen Ausgangsmaterial und in diesem befindlichen bioaktiven Kulturen; eine Speiseleitung zum Zuführen frischen organischen Ausgangsmaterials in das Aufnahmevolumen; eine Heizung zum Erwärmen und/oder Warmhalten des in dem Aufnahmevolumen befindlichen organischen Ausgangsmaterials; einen Ablauf für verbrauchtes organisches Ausgangsmaterials; einen Abzug zur Entnahme von Biogas aus dem Fermenterbehälter und eine Belüftung zum Zuführen von Luft in das Aufnahmevolumen zum Belüften des darin gehaltenen organischen Ausgangsmaterials.
- In erfindungsgemäßer Weise ist bei dem weiterentwickelten und optimierten Fermenter das Aufnahmevolumen durch den Boden und durch die zylindrische Seitenwand glattwandig und ohne jegliche Anbauteile am Boden und/oder an der Seitenwand in diesen Bereich begrenzt. Dies bedeutet, dass keine vorstehenden Elemente über den Verlauf der Seitenwand bzw. des Bodens in Richtung des Aufnahmevolumens vorstehen. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass ansonsten häufig anzutreffende Quellen für Verwirbelungen der in dem Aufnahmevolumen enthaltenen Masse aus organischem Ausgangsmaterial, bioaktiven Kulturen sowie ggf. einem Lösungsmittel (z.B. Wasser) entstehen und somit vermittelt durch das Rührwerk eine besonders gleichmäßige und verwirbelungsfreie und somit für die Ausbeute effiziente Durchmischung des organischen Ausgangsmaterials ermöglicht ist.
- Weiterhin ist für den erfindungsgemäßen Fermenter vorgesehen, dass die Heizung eine Fußbodenheizung in dem Boden umfasst. Eine solche flächige Heizung führt nicht nur dazu, dass eine Erwärmung und ein Halten des organischen Ausgangsmaterials in dem Aufnahmevolumen auf einer vorgegebenen Temperatur ohne in das Innere des Fermenterbehälters vorstehende Elemente erfolgen kann, sondern auch, dass diese Erwärmung besonders gleichmäßig und effizient erfolgt durch eine große für den Wärmeaustausch vorgesehene Fläche, nämlich den im Wesentlichen gesamten Boden des Fermenters.
- Weiterhin ist bei dem erfindungsgemäßen Fermenter vorgesehen, dass das Rührwerk durch einen um eine Längsachse der zylinderförmigen Seitenwand rotierbaren Gitterrahmenrührer gebildet ist mit Rührgitterrahmen, die sich ausgehend von der Längsachse über im Wesentlichen die vollständige Füllhöhe des Aufnahmevolumens und, zumindest im Bereich des Bodens, über im Wesentlichen den gesamten Radius des durch die Seitenwand seitlich begrenzten Aufnahmevolumens erstrecken. Ein derartiger Gitterrahmenrührer stellt ein von den bis dahin bekannten und eingesetzten Rührerkonzepten abweichendes Rührerkonzept dar. Im Stand der Technik wurden bisher vielfach propeller- oder schaufelradartige Rührer eingesetzt, die einen großen lokalen Impuls auf die in dem Fermenter bzw. in dem Aufnahmevolumen befindliche Masse aus organischem Ausgangsmaterial aufbringen (vgl. hierzu z.B.
DE 20 2006 020 742 U1 ) und hierfür mit großer Umdrehungszahl in Rotation versetzt werden. Diese Art der Rührer bedingen aber eine stark unterschiedliche und zur Ausbildung von Verwirbelungen neigende Strömung, die in dem Fermenterbehälter in seinem Aufnahmevolumen induziert wird, was - wie die Erfinder herausgefunden haben - sich nachteilig für die Umsetzung des organischen Ausgangsmaterials zu methanhaltigem Biogas auswirkt. Denn die bioaktiven Kulturen können, dies haben Experimente der Erfinder aufgezeigt, deutlich besser und mit deutlich verbesserter Effizienz organisches Ausgangsmaterials unter Bildung von methanhaltigem Biogas umsetzen, wenn zwar eine stetige Umwälzung des Inhaltes des Aufnahmevolumens erfolgt, dies jedoch ohne hohe Strömungsgeschwindigkeiten und ohne Verwirbelungen. - Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass bei dem Fermenter die Speiseleitung zum Zuführen frischen organischen Ausgangsmaterials in das Aufnahmevolumen wenigstens eine Druck für die Zufuhr des Ausgangsmaterials aufbauende Druckpumpe aufweist und die Speisleitung in wenigstens einer, vorzugsweise mehreren oberhalb des Aufnahmevolumens und oberhalb des Gitterrahmenrührers angeordneten Einspritzdüsen mündet. Über diese Maßnahme wird frisches in das Aufnahmevolumen des Fermenterbehälters einzubringendes organisches Material mit Druck auf die Oberfläche des bereits in dem Fermenterbehälter befindlichen organischen Materials aufgesprüht, bzw. über die Oberfläche in das Volumen des Fermenterbehälters eingedrückt. Diese Art der Speisung und Zufuhr hat sich als besonders effektiv erwiesen, da sie zum einen bereits mit der Zufuhr des organischen Ausgangsmaterials eine gute Durchmengung des "frischen" Materials mit dem bereits im Fermenter befindlichen Material bewirkt, andererseits jedoch keine zusätzlichen und störenden Verwirbelungen nach sich zieht, wie sie durch eine unmittelbare in das Aufnahmevolumen mündende Einspeiseleitung ansonsten erhalten werden.
- Durch die oben aufgezeigten erfindungsgemäßen Optimierungen des Fermenters konnten so erhebliche Effizienzsteigerungen erzielt werden, die in einem auf Versuchsanlagengröße skalierten Vergleich bei Steigerungen um bis zu über 85% lagen. Einen wesentlichen Anteil dieser Effizienzsteigerung schreiben die Erfinder dabei dem erfindungsgemäßen Rührer zu, der insbesondere mit geringen Drehzahlen im kontinuierlichen Betrieb für eine durchgehende und weitgehend verwirbelungsfreie Durchmischung des in dem Aufnahmevolumen befindlichen Ausgangsmaterials sorgt. Hierbei wurden Drehzahlen des Rührers im Bereich zwischen 1 und 5 Umdrehungen pro Minute eingestellt, im Besonderen zwischen 2 und 3 Umdrehungen pro Minute, mit besonderem Vorteil und günstigen Ergebnissen von etwa 2,5 Umdrehungen pro Minute. Durch die spezielle Ausgestaltung des Rührers als Gitterrahmenrührer mit über die Höhe wie auch über den Radius verteilt angeordneten durchmengungswirksamen Elementen wurde eine Durchmischung über das gesamte Aufnahmevolumen erreicht, so dass einerseits eine gute Durchmengung des organischen Ausgangsmaterials mit den bioaktiven Kulturen erreicht wurde, andererseits möglichen Verklumpungen im gesamten Volumen vorgebeugt und somit eine große oberflächenmäßige Durchdringung der biologischen Ausgangsmaterialien mit den bioaktiven Kulturen erzielt wurde. Diese Maßnahme zusammen mit dem Umstand, dass durch die glattwandige Bauweise weiterhin potentielle Auslöser für Verwirbelungen ausgemerzt wurden, führten so zu einer sehr effizienten Umsetzung des organischen Ausgangsmaterials mit den bioaktiven Kulturen zu methanhaltigem Biogas.
- Die besondere Steigerung der Effizienz erklären sich die Erfinder damit, dass hier durch das permanente Umwälzen einerseits eine gute Durchmengung und Durchmischung des Ausgangsmaterials mit den bioaktiven Kulturen gegeben ist, so dass diese Kulturen effektiv eine Zersetzung des organischen Materials unter Bildung von Biogas betreiben können, dass andererseits nicht zu schnelle Strömungen und Verwirbelungen, wie sie bei Fermentern nach dem Stand der Technik erzielt werden, zu einem "Stressfaktor" für die biologisch aktiven Substanzen führen, die dann zu einer Verringerung der Effizienz führen. Es werden mit anderen Worten für die biologisch aktiven Kulturen die optimalen Voraussetzungen für eine effiziente Umsetzung des in dem Fermenter in dem Aufnahmevolumen enthaltenen organischen Ausgangsmaterials erreicht und geboten.
- Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können die das Aufnahmevolumen begrenzenden Oberflächen der Seitenwand und des Bodens für eine Haftungsverminderung behandelt, insbesondere beschichtet, sein. Eine entsprechende haftungsvermindernde Behandlung, so z.B. eine Beschichtung oder eine Ausprägung mit den sogenannten Lotoseffekt ausbildenden Strukturen, verhindert hier das Anwachsen von Biofilmakkumulationen, die wiederum Quellen und Auslöser für Verwirbelungen sein können. Darüber hinaus bleiben die bioaktiven Kulturen in Suspension und sind dort für die Umsetzung des organischen Ausgangsmaterials zu methanhaltigem Biogas aktiv.
- Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann bei dem Fermenter nach der Erfindung die Belüftung eine Luftführung im Boden oder eine Vielzahl von in dem Boden gebildeten Eingangsdüsen umfassen, wobei in dem Boden geführte Luftleitungen so in Kontakt mit in dem Boden eingelassenen Rohren der Fußbodenheizung gebracht sind, dass im Betrieb durch die in den Rohren der Fußbodenheizung geführtes Heizmedium die Luft in den Luftleitungen vorerwärmt wird, bevor diese durch die Eingasdüsen das Aufnahmevolumen einströmt. Durch das Eingasen der Belüftung durch eine Vielzahl von Eingasdüsen in das Aufnahmevolumen wird eine feinperlige und hinsichtlich der Blasenoberfläche großflächige Einleitung von Luft, insbesondere Sauerstoff, in das biologische Ausgangsmaterial in dem Aufnahmevolumen erreicht, so dass es hier schnell zu einer aktivierenden und die Umsetzung des organischen Ausgangsmaterials unterstützenden Wirkung kommt. Zudem wird durch das Vorerwärmen der Luft verhindert, dass durch den Eintrag derselben eine, ggf. auch nur lokale, Abkühlung des in dem Aufnahmevolumen befindlichen biologischen Ausgangsmaterials die Folge ist. Denn eine solche Abkühlung führt, dies haben die Erfinder herausgebracht, unvermittelt zu einer Verschlechterung der Effizienz, da die in dem Fermenter vorhandenen biologisch aktiven Kulturen ihre höchste Umsetzungseffizienz in einem gegebenen Temperaturfenster erreichen, diese Effizienz sogleich abnimmt, wenn die Temperatur den unteren Schwellwert dieses Fensters unterschreitet. Für die wie geschilderte Vorerwärmung der Luft können beispielsweise die Luftzuleitungen konzentrisch um die in den Boden eingelassenen Rohre der Fußbodenheizung herum gelegt sein, so dass die von dem in den Rohren geführten Heizmedium abgegebene Wärme zunächst die zugeführte Luft erwärmt, sodann auch über den Boden das in dem Aufnahmevolumen befindliche organische Ausgangsmaterial.
- Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann der Gitterrahmenrührer zweiflügelig und symmetrisch zu der Längsachse gebildet sein. Ein solcher zweiflügeliger Gitterrahmenrührer, der mithin auch durch einen einzigen, sich über den gesamten Durchmesser des Fermenters erstreckenden Gitterrahmenflügel bzw. ein solches Gitterrahmenelement gebildet sein kann, hat sich als für eine für die Umsetzung optimale Durchmengung besonders geeignet erwiesen und ist mechanisch einfach konstruiert und stabil.
- Weiterhin kann bei dem erfindungsgemäßen Fermenter gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen sein, dass die Rührgitterrahmen des Gitterrahmenrührers je eine äußere Rahmenkonstruktion und dazwischen verlaufende Längs- und Querstreben aufweisen, wobei die Längsstreben im Wesentlichen vertikal, die Querstreben im Wesentlichen horizontal verlaufen. Mit dieser Art der Gestaltung des Gitterrahmenrührers wird, dies haben Versuche der Erfinder gezeigt, eine besonders effiziente und gute Durchmischung ohne Verwirbelungen in dem in dem Aufnahmevolumen befindlichen organischen Ausgangsmaterial erzielt. Dies gilt insbesondere dann, wenn, wie gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, in den jeweiligen Rührgitterrahmen die Längsstreben derart angeordnet sind, dass sie diesen in regelmäßigen Abständen entlang eines horizontalen Verlaufes von der Längsachse gesehen nach außen unterteilen. Weiterhin gilt dies im Besonderen, wenn wie gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen die Längs- und Querstreben durch Flachbandmaterial gebildet sind und entlang ihrer jeweiligen Längsachse wenigstens einmal um 180° verdreht sind. Durch diese Verdrehung ergeben sich zum einen unterschiedliche Wirkflächen das bandförmigen Materials, zum anderen ergeben sich auch Leitstrukturen, mit denen das in dem Aufnahmevolumen befindliche organische Ausgangsmaterial aktiv umgewälzt wird, ohne dass dies etwa zu den als schädlich erkannten übermäßigen Verwirbelungen führen würde.
- Weiterhin kann eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fermenters zu einer Optimierung desselben beitragen, gemäß derer ein Antriebsmotor für den Gitterrahmenrührer außerhalb des Fermenterbehälters angeordnet und über durch den Fermenterbehälter geführten Antriebswellen mit dem Gitterrahmenrührer wirkverbunden ist. Diese Gestaltung, bei der die Antriebswellen insbesondere außerhalb des Aufnahmevolumens geführt sind, trägt zu einer einfachen und ohne in das Innere des Aufnahmevolumens vorstehende Teile gebildeten Gestaltung des Fermenterbehälters bei, was wiederum hilft, Verwirbelungen beim Umwälzen des in dem Aufnahmevolumen enthalten organischen Ausgangsmaterials zu verhindern.
- Neben der zwingend vorgesehenen Fußbodenheizung am Boden des Fermenterbehälters kann, wie dies eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fermenters vorsieht, bei diesem auch in der Seitenwand eine Wandheizung angeordnet sein zum Erwärmen bzw. zum Warmhalten, d.h. also zum geregelten Temperieren, des in dem Aufnahmevolumen befindlichen organischen Ausgangsmaterials. Diese Wandheizung kann dabei gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung mit der Fußbodenheizung zu einem gemeinsamen Heizkreislauf verbunden sein.
- Prinzipiell kann ein erfindungsgemäßer Fermenter in allen erdenklichen Größen skaliert und somit für Ausgangsleistungen unterschiedlicher Auslegung gebildet und verwendet werden. Es hat sich im Zusammenhang mit den Untersuchungen der Erfinder aber als besonders vorteilhaft erwiesen, dass der erfindungsgemäße Fermenter auch für kleintechnische Anlagen, d.h. solche mit geringer Leistung, die z.B. für die Versorgung eines typischen Einfamilienhauses ausgelegt sind (Leistungen im Bereich von 0,5 kW bis einige wenige kW) geeignet ist. Entsprechend kann ein erfindungsgemäßer Fermenterbehälter einen das Aufnahmevolumen begrenzenden Innendurchmesser von zwischen 2 und 2,5 m, insbesondere von 2,2 m und eine Füllhöhe für das Aufnahmevolumen von zwischen 0,6 m und 1,0 m, insbesondere von 0,8 m, aufweisen.
- Die Abdeckung kann, entsprechend den aus dem Stand der Technik bekannten Abdeckungen, als flexible Abdeckung gebildet sein, insbesondere aus Folie, vorzugsweise zweilagig. Sie kann aber auch als starre Abdeckung, z.B. als plattenförmiger und flacher Abschluss, gebildet sein.
- In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung dann auch eine Biogasanlage, die wenigstens einen Fermenter nach einem der vorstehend beschriebenen Aspekte aufweist. Eine solche Biogasanlage zieht entsprechenden Nutzen aus den oben im Zusammenhang mit der Darlegung und Erläuterung des neuartigen Fermenters beschriebenen Vorteilen.
- Der erfindungsgemäße Fermenter wird insbesondere mit einer eigens aufbereiteten Suspension eines organischen Ausgangsmaterials betrieben, wobei diese Suspension das organische Ausgangsmaterial in besonders feinteiliger Größe bzw. Körnung enthält. Besonders gute Ergebnisse konnten die Erfinder erzielen mit einem auf Basis von Kartoffeln hergestellten brei- bzw. feinteilig suspensionsförmigen organischen Ausgangsmaterial. Die Temperatur dieses organischen Ausgangsmaterials im Aufnahmevolumen des Fermenters wurde bei besonders erfolgreichen Versuchen in einer Größenordnung zwischen 37°C und 39°C, insbesondere zwischen 37,5°C und 38°C eingestellt. Weiterhin haben die Erfinder für eine Entschwefelung des Biogases bereits im Fermenter eine Zink-Opfer-Elektrode angeordnet, die dafür sorgte, dass das über den Abzug entnommene Biogas besonders schwefelarm war.
- Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
- Fig. 1
- eine perspektivische, teilweise weggeschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen Fermenters in einer ersten Gestaltungsvariante;
- Fig. 2
- eine Detailansicht, die die Anbindung der flexiblen Abdeckung des Fermenters an die umlaufende Seitenwand bei dem in
Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fermenters darstellt; - Fig. 3
- eine Detaildarstellung der Anbindung der Seitenwand an dem Boden bei dem in
Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fermenters; - Fig. 4
- eine perspektivische, teilweise weggeschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen Fermenters in einer zweiten Gestaltungsvariante;
- Fig. 5
- eine Detailansicht, die die Anbindung der starren, plattenförmigen Abdeckung des Fermenters an die umlaufende Seitenwand bei dem in
Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fermenters darstellt; und - Fig. 6
- eine Ansicht des Gitterrahmenrührers in einer möglichen Ausgestaltung, wie er in dem in
Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fermenters Verwendung findet. - In den Figuren sind mögliche Ausgestaltungsvarianten der Erfindung in schematisch veranschaulichender Weise dargestellt, wobei die Figuren keineswegs maßstabsgerechte Darstellungen oder vollständige Konstruktionszeichnungen sind. Anhand dieser Figuren werden nun nachstehend Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, wobei die nachstehend beschriebenen einzelnen und gesonderten Merkmale sich nicht allein auf die geschilderten Ausführungsbeispiele beschränken, sondern, sofern nichts anderes angegeben, auch allgemein und in anderer Kombination für die Verwirklichung der Erfindung relevant sind bzw. sein können.
- In
Fig. 1 ist zunächst ein erfindungsgemäß gestalteter Fermenter in einer ersten Gestaltungsvariante gezeigt und allgemein mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet. Der Fermenter 1 weist einen Fermenterbehälter 2 auf, der ein Aufnahmevolumen 3 umschließt. Dieser Fermenterbehälter wird im Wesentlichen begrenzt durch eine Bodenplatte 4 und eine an dieser dichtend sich anschließende, zylinderförmig umlaufende Seitenwand 5. - Auf die Seitenwand 5 aufgesetzt und mit dieser dichtend verbunden ist eine flexible Abdeckung 6, die das Aufnahmevolumen 3 und ein sich oberhalb desselben anschließendes Gasreservoir 7 gasdicht verschließt. Die flexible Abdeckung 6 setzt sich dabei zusammen aus einer äußeren Folie oder Membran 8 und einer inneren Folie oder Membran 9. In dem Bereich zwischen diesen beiden Membranen, äußere Membran 8 und innere Membran 9, wird über ein Gebläse 10 ein Überdruck eingeblasen, um so die flexible Abdeckung 6 in ihrer wie in der
Fig. 1 gezeigten haubenförmigen Gestalt zu halten und zudem eine thermische Isolierung zu bilden und so einen übermäßigen Wärmeverlust aus dem Innern des Fermenterbehälters 2 zu verhindern. Im Inneren der flexiblen Abdeckung 6 ist oberhalb des Aufnahmevolumens 3 eine Netzabdeckung 11, beispielsweise ein Nylonnetz, aufgespannt, die ein Hereinfallen von Gegenständen in das Aufnahmevolumen 3 verhindern und auch eine Mannsicherung bilden soll. Von einem außerhalb der Seitenwand 5 angeordneten Antriebsmotor 12 und an diesen Antriebsmotor 12 angeschlossene Antriebswellen 13 zur Rotation um eine vertikale Mittelachse 14 des Aufnahmevolumens 3 angetrieben ist ein Gitterrahmenrührer 15. Dieser ist als durchgehendes Rahmenelement gebildet, welches auch als zwei einander gesetzte, in einem Winkel von 180° zueinander ausgerichtete Rührrahmengitter aufgefasst werden kann. Der Gitterrahmenrührer 15 erstreckt sich über die gesamte Höhe des Aufnahmevolumens 3 und über im Wesentlichen den gesamten Durchmesser desselben im Bereich der Bodenplatte 4. Er läuft auf einer am Rand der Bodenplatte 4 umlaufend verlaufend ausgebildeten Laufschiene 16 um und wird im Betrieb mit einer Drehzahl von etwa 2 bis 3, vorzugsweise 2,5 Umdrehungen pro Minute, kontinuierlich um die Mittelachse 14 rotierend bewegt. Der Gitterrahmenrührer 15 hat dabei einen trapezförmigen Rahmenaufbau mit zu seinem oberen Ende hin kürzerer Horizontalrahmenstreben, wie sich im Weiteren auch noch aus der genaueren Beschreibung derFig. 4 ergeben wird. - Zu erkennen ist weiterhin noch mit 17 bezeichnet eine Revisionsöffnung, die hier geöffnet dargestellt, im Normalfall aber verschlossen ist und über die z.B. Überprüfungen oder einfache Wartungen durchgeführt werden können, ohne dass die gesamte flexible Abdeckung 6 zu entfernen ist. Weiterhin ist eine Füllstandsanzeige 18 dargestellt, über die von außerhalb des Fermenters 1 der Füllstand im Aufnahmevolumen 3 erkannt werden kann, um so ggf. regulierend eingreifen zu können entweder durch Absaugen überschüssigen organischen Ausgangsmaterials oder aber durch Nachführen frischen solchen organischen Ausgangsmaterials zum Auffüllen des Aufnahmevolumens 3.
- Nicht näher dargestellt ist eine hier im mit 19 bezeichneten Bereich angeordnete Absaugung, über die bodennah dort sich ansammelndes verbrauchtes organisches Ausgangsmaterial und überschüssige biologisch aktive Kulturen aus dem Aufnahmevolumen 3 des Fermenters 1 abgezogen werden können. Ebenfalls nicht gezeigt sind die Speise- bzw. Zuführleitungen für frisches organisches Ausgangsmaterial, welche in oberhalb des Aufnahmevolumens 3 im Bereich unterhalb der Netzabdeckung 11 mündenden Einströmdüsen enden und so eine über die Fläche der Oberfläche des Aufnahmevolumens 3 verteilte mit Druck eingebrachte Einspeisung von organischem Ausgangsmaterial erlauben. Ebenfalls nicht näher eingezeichnet ist in der
Fig. 1 die in der Bodenplatte 4 angeordnete Bodenheizung, über die das in dem Aufnahmevolumen 3 befindliche organische Ausgansmaterial erwärmt und auf eine Betriebstemperatur (typischerweise zwischen 37°C und 39°C, im Idealfall zwischen 37,5°C und 38°C) gehalten wird. Ebenfalls in dieser Darstellung nicht zu erkennen sind feine Eingasdüsen in der Bodenplatte 4, über die Luft in das Aufnahmevolumen 3 und das darin befindliche organische Ausgangsmaterial eingeblasen werden kann. - Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung ist hier jedoch schon zu erkennen, nämlich der Umstand, dass die Begrenzung durch die das Aufnahmevolumen 3 umschließende Seitenwand 5 und Bodenplatte 4 glattwandig und ohne vorstehende Elemente gebildet ist, so dass hier keine etwa Verwirbelungen erzeugende Elemente in das Aufnahmevolumen 2 hineinragen.
- In
Fig. 2 ist in einer Ausschnittsdarstellung schematisch dargestellt, wie die flexible Abdeckung 6 mit ihrer äußeren Membran 8 und der inneren Membran 9 an der umlaufenden Seitenwand 5 festgelegt ist. Beide Membranen sind mit mittels Schraubbolzen 23 aufeinander zu gezogenen Klemmleisten gegenüber der Seitenwand 5 verklemmt und so fixiert. Weiterhin zu erkennen ist, dass die Seitenwand 5 auf ihrer Außenseite eine Isolierschicht 20 aufweist, die eine thermische Isolierung des Fermenterbehälters und insbesondere des Aufnahmevolumens 3 bewirkt. Auf der dem Aufnahmevolumen 3 zugewandten Innenseite ist auf der Seitenwand 5 eine Schutzbeschichtung 21 mit Antihaft-Effekt aufgebracht, bei der es sich z.B. um eine Schutzbeschichtung mit Lotoseffekt handeln kann und die ein Festsetzen bzw. Anwachsen von Biofilmen auf der Seitenwand 5 verhindert. Auch zwischen den beiden Membranen äußere Membran 8 und innere Membran 9 ist eine Isolierung 22 angeordnet, um auch in diesem Bereich Wärmeverluste möglichst zu vermeiden und somit einen energieeffizienten Betrieb des Fermenters zu gewährleisten. - In
Fig. 3 ist in einer vergrößerten schematischen Darstellung die Anbindung der Seitenwand 5 an die Bodenplatte 4 gezeigt. Die Seitenwand 5 ist unter Zwischenlage einer Dichtung 24 auf die Bodenplatte 4 aufgesetzt und mit dieser verbunden. Zu erkennen sind hier wiederum Isolierschichten 20, die nicht nur auf der Seitenwand 5, sondern auch auf der dem Aufnahmevolumen 3 abgewandten Seite der Bodenplatte 4 angeordnet sind und die einen Wärmeverlust vermeiden sollen. Weiterhin ist gezeigt, dass nicht nur die Seitenwand 5, sondern auch die dem Innenvolumen 3 zugewandte Seite der Bodenplatte 4 mit einer Schutzbeschichtung 21 mit Antihaft-Effekt versehen ist, beispielsweise einer Beschichtung mit Lotoseffekt. Schließlich ist die Laufschiene 16 für den Gitterrahmenrührer 15 zu erkennen, die als Winkelprofil in den Stoßwinkel zwischen Seitenwand 5 und Bodenplatte 4 eingesetzt ist und den Verlauf der Seitenwand 5 kreisförmig folgt. - In
Fig. 4 ist in einer derFig. 1 vergleichbaren Darstellung eine abgewandelte Ausführungsform eines Fermenters 100 gezeigt. Dieser ist in den wesentlichen Elementen gleich aufgebaut, wie der Fermenter 1, wobei diese wesentlichen Elemente mit gleichen Bezugszeichen wie inFig. 1 versehen sind und gleichartig aufgebaut und funktional zueinander eingerichtet sind. Insoweit kann auf die Beschreibung derFig. 1 oben verwiesen werden, die - sofern nicht nachstehend eine abweichende Erläuterung gegeben ist - auch für den Fermenter 100 zutrifft. Der einzige relevante Unterschied besteht dabei in der Art der Abdeckung. Anders als bei dem Fermenter 1 ist bei dem Fermenter 100 die Abdeckung, die den Fermenterbehälter nach oben hin gasdicht abschließt, nicht eine flexible. Vielmehr ist die Abdeckung 106 hier als starre Platte, z.B. aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK), carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) oder aber auch Beton, gebildet. Bei dieser Ausgestaltungsvariante ist der Antriebsmotor 12 für den Gitterrahmenrüher 15 als auf der Abdeckung 106 angeordnet gezeigt. Dies erlaubt eine einfachere Führung der Antriebswelle 13, die als einfache Welle vertikal nach unten geführt werden kann und auf der dann der Gitterrahmenrührer 15 angeordnet ist. Zwischen dem Antriebsmotor 12 und der Antriebswelle 13 kann, wie auch in dem Ausführungsbeispiel nachFig. 1 , ein Getriebe angeordnet sein. Auch kann - und wird dies in der Regel auch - der Antriebsmotor 12 in beiden Ausgestaltungsvarianten mit einer Steuerung verbunden sein, die die Drehzahl regelt und ggf. Rühr- und Pausenzeiten vorgibt, wobei in den letztgenannten das Substrat (die organischen Ausgangsmaterialien in dem Aufnahmevolumen 3) ruhen kann. - In
Fig. 5 ist in einer vergrößerten Darstellung die Anbindung zwischen umlaufender Seitenwand 5 und der Abdeckung 106 bei dem Fermenter 100 gezeigt. Zu erkennen ist, dass diese ähnlich aufgebaut ist, wie die Anbindung der Seitenwand 5 an den Boden 4 bei dem Fermenter 1 (vergleicheFig. 3 ), welche letztgenannten Anbindung im Übrigen auch bei dem Fermenter 100 so aufgebaut ist, wie inFig. 3 dargestellt. So ist zwischen der oben Stirnfläche der Seitenwand 5 und der Abdeckung 106 eine Dichtung 24 angeordnet. Auch ist in dieser Darstellung derFig. 5 zu erkennen, dass die Abdeckung 106 auf ihrer oberen Fläche eine Isolierschicht 20 aufweist, die auch hier der Verhinderung von Wärmeverlusten aus dem Innern des Fermenterbehälters 100 dient. Die Abdeckung 106 kann z.B. bei solchen Fermentern 100 mit vergleichsweise geringen Maßen als ganze abnehmbar und z.B. mit Klemm- oder Schraubverschlüssen an der Seitenwand 5 befestigt sein. Dies erleichtert die Schaffung eines Zuganges zum Aufnahmevolumen 3, um dort ggf. Wartungs- oder Reinigungsarbeiten durchführen zu können. - In
Fig. 6 ist schließlich noch einmal der Gitterrahmenrührer 15 losgelöst von dem Fermenter dargestellt. Zu erkennen ist, dass dieser zunächst einen trapezförmigen Rahmen 25 aufweist, der aus U-Profilen aus einem Metall, insbesondere einem Edelstahl, aufgebaut ist. Der trapezförmige Rahmen weist zwei parallel zueinander verlaufende horizontale Rahmenelemente 26, 27 auf, wobei das Rahmenelement 26 im Betrieb der Bodenplatte des Fermenters zugewandt und länger gebildet ist als das im Betrieb dem oberen Ende des Aufnahmevolumens zugewandte horizontale Rahmenelement 27, das im Vergleich zu dem Rahmenelement 26 von kürzerer Abmessung ist. Diese horizontalen Rahmenelemente sind miteinander über Verbindungsrahmenelemente 28, 29 verbunden, die schräg zu den beiden horizontalen Rahmenelementen 26, 27 und geneigt zur Vertikalen verlaufen. - Nahe der mittigen Symmetrieachse des zu einer Vertikalachse achssymmetrisch gebildeten Gitterrahmenrührers 15 verlaufen zwei Vertikalstützen 30, 31, die den Rahmen 25 stabilisieren, diesen in zwei Rahmenelemente unterteilen und zudem Festlegungspunkte für später noch zu beschreibende weitere Elemente bieten.
- In im Wesentlichen äquidistanter Verteilung sind entlang der horizontalen Erstreckung des Rahmens zueinander beabstandet jeweils vertikal verlaufende Längsstreben 32 angeordnet. Diese sind mit jeweils einem Ende an dem oberen horizontalen Rahmenelement 27 und einem anderen Ende an dem unteren Rahmenelement 26 festgelegt. Bei diesen Längsstreben 32 handelt es sich um Flachbandstreben, die - und dies ist eine Besonderheit des Rahmenrührers 15 - einmal um 180° um ihre Längsachse gedreht verlaufen. Hierdurch bewirken diese Längsstreben 32 bei einer Rotation des Gitterrahmenrührers 15 eine verbesserte Durchmendung und Durchmischung des organischen Ausgangsmaterials mit den bioaktiven Kulturen.
- Zwischen den beiden Vertikalstützen 30, 31 sind zwei kürzere Querstreben 33 angeordnet, die ebenfalls aus einem Flachbandmaterial gebildet sind, welche entlang seiner Längserstreckung einmal um 180° verdreht ist. Diese Querstreben 33 unterteilen die Höhe des Gitterrahmenrührers in drei etwa gleiche Abschnitte und sind insoweit über diese Höhe im Wesentlichen äquidistant angeordnet.
- Diese besondere in
Fig. 6 dargestellte Gestaltung des Rührers als Gitterrahmenrührer 15 mit den aus einem Flachbandmaterial gebildeten Längs- und Querstreben, die den trapezförmig aufgebauten Rahmen 25 durchspannen und jeweils um ihre Längsachse um 180° verdreht bzw. verdrillt verlaufen, haben in den Versuchsergebnissen der Erfinder den besonders guten Durchmischungseffekt bei gleichzeitiger ausreichender "Ruhe" für die biologisch aktiven Mikroorganismen gezeigt, so dass letztere sehr effizient die Umsetzung des organischen Ausgangsmaterials zu methanhaltigem Biogas betreiben konnten. -
- 1
- Fermenter
- 2
- Fermenterbehälter
- 3
- Aufnahmevolumen
- 4
- Bodenplatte
- 5
- Seitenwand
- 6
- Abdeckung
- 7
- Gasreservoir
- 8
- äußere Membran
- 9
- innere Membran
- 10
- Gebläse
- 11
- Netzabdeckung
- 12
- Antriebsmotor
- 13
- Antriebswelle
- 14
- Mittelachse
- 15
- Gitterrahmenrührer
- 16
- Laufschiene
- 17
- Revisionsöffnung
- 18
- Füllstandsanzeige
- 19
- Absaugung
- 20
- Isolierschicht
- 21
- Schutzbeschichtung mit Antihaft-Effekt
- 22
- Isolierung
- 23
- Schraubbolzen
- 24
- Dichtung
- 25
- Rahmen
- 26
- horizontales Rahmenelement
- 27
- horizontales Rahmenelement
- 28
- Verbindungsrahmenelement
- 29
- Verbindungsrahmenelement
- 30
- Vertikalstütze
- 31
- Vertikalstütze
- 32
- Längsstrebe
- 33
- Querstrebe
- 100
- Fermenter
- 106
- Abdeckung
Claims (14)
- Fermenter für eine Anlage zur Umwandlung organischen Ausgangsmaterials in methanhaltiges Biogas mit:- einem eine kreiszylinderförmige umlaufende Seitenwand (5) und einen diese nach unten hin abschließenden Boden (4) aufweisenden, ein Aufnahmevolumen (3) definierenden Fermenterbehältern (2);- einer Abdeckung (6; 106) zum gasdichten Abschluss des Fermenterbehälters (2) und zum Zurückhalten von entstehendem Biogas;- einem Rührwerk zum Umwälzen von in dem Aufnahmevolumen (3) befindlichem organischen Ausgangsmaterial und in diesem befindlichen bioaktiven Kulturen;- einer Speiseleitung zum Zuführen frischen organischen Ausgangsmaterials in das Aufnahmevolumen (3);- einer Heizung zum Erwärmen und/oder Warmhalten des in dem Aufnahmevolumen (3) befindlichen organischen Ausgangsmaterials;- einem Ablauf für verbrauchtes organisches Ausgangsmaterial;- einem Abzug zur Entnahme von Biogas aus dem Fermenterbehälter (2) und- einer Belüftung zum Zuführen von Luft in das Aufnahmevolumen (3) zum Belüften des darin gehaltenen organischen Ausgangsmaterials,
wobei das Aufnahmevolumen (3) durch den Boden (4) und die zylindrische Seitenwand (5) glattwandig und ohne jegliche Anbauteile an Boden (4) und/oder Seitenwand (5) in diesem Bereich begrenzt ist,
wobei die Heizung eine Fußbodenheizung in dem Boden (4) umfasst,
wobei das Rührwerk durch einen um eine Längsachse (14) der zylinderförmigen Seitenwand (5) rotierbaren Gitterrahmenrührer (15) gebildet ist mit Rührgitterrahmen, die sich ausgehend von der Längsachse (14) über im Wesentlichen die vollständige Füllhöhe des Aufnahmevolumens (3) und, zumindest im Bereich des Bodens (4), über im Wesentlichen den gesamten Radius des durch die Seitenwand (5) seitlich begrenzten Aufnahmevolumens (3) erstrecken,
wobei die Speiseleitung zum Zuführen frischen organischen Ausgangsmaterials in das Aufnahmevolumen (3) wenigstens eine Druck für die Zufuhr des Ausgangsmaterials aufbauende Druckpumpe aufweist und wobei die Speiseleitung in wenigstens einer, vorzugsweise mehreren oberhalb des Aufnahmevolumens (3) und oberhalb des Gitterrahmenrührers (15) angeordneten Einspritzdüsen mündet. - Fermenter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die das Aufnahmevolumen (3) begrenzenden Oberflächen der Seitenwand (5) und des Bodens (4) für eine Haftungsverminderung behandelt, insbesondere beschichtet, sind.
- Fermenter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Belüftung eine Luftführung im Boden (4) und eine Vielzahl von in dem Boden (4) gebildete Eingasdüsen umfasst, wobei in dem Boden (4) geführte Luftleitungen so in Kontakt mit in dem Boden (4) eingelassenen Rohren der Fußbodenheizung gebracht sind, dass im Betrieb durch in den Rohren der Fußbodenheizung geführtes Heizmedium die Luft in den Luftleitungen vorerwärmt wird, bevor diese durch die Eingasdüsen in das Aufnahmevolumen (3) einströmt.
- Fermenter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gitterrahmenrüher (15) zweiflügelig und symmetrisch zu der Längsachse (14) gebildet ist.
- Fermenter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rührgitterahmen des Gitterrahmenrührers (15) je eine äußere Rahmenkonstruktion (26, 27, 28, 29) und dazwischen verlaufende Längs- (32) und Querstreben (33) aufweisen, wobei die Längsstreben (32) im Wesentlichen vertikal, die Querstreben (33) im Wesentlichen horizontal verlaufen.
- Fermenter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsstreben (32) in den jeweiligen Rührgitterrahmen derart angeordnet sind, dass sie diesen in regelmäßigen Abständen entlang eines horizontalen Verlaufes von der Längsachse (14) gesehen nach außen unterteilen.
- Fermenter nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Längs- (32) und Querstreben (33) durch Flachbandmaterial gebildet sind und entlang ihrer jeweiligen Längsachse je wenigstens einmal um 180° verdreht sind.
- Fermenter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antriebsmotor (12) für den Giterrahmenrührer (15) außerhalb des Fermenterbehälters (2) angeordnet und über durch den Fermenterbehälter (2) geführte Antriebswellen (13) mit dem Giterrahmenrüher (15) wirkverbunden ist.
- Fermenter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Seitenwand (5) eine Wandheizung angeordnet ist zum Erwärmen bzw. zum Warmhalten des in dem Aufnahmevolumen befindlichen organischen Ausgangsmaterials.
- Fermenter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandheizung mit der Fußbodenheizung zu einem gemeinsamen Heizkreislauf verbunden ist.
- Fermenter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Fermenterbehälter (2) mit einem das Aufnahmevolumen (3) begrenzenden Innendurchmesser von zwischen 2m und 2,5m, insbesondere von 2,2m, und mit einer Füllhöhe des Aufnahmevolumens (3) von zwischen 0,6m und 1,0m, insbesondere von 0,8m.
- Fermenter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung eine flexible Abdeckung (6), insbesondere eine Folienabdeckung, ist.
- Fermenter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung eine starre, insbesondere plattenförmige, Abdeckung (106) ist.
- Biogasanlage mit wenigstens einem Fermenter (1; 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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